2023, Vol. 45
2. 中国船舶集团有限公司第七〇五研究所，陕西 西安 710077
2. The 705 Research Institute of CSSC, Xi′an 710077, China
比例控制器是鱼雷热动力系统的核心部件之一，其主要功能是精确控制三组元推进剂的配比比例以提高燃烧效率，进而提升鱼雷的水下作战性能，因此提高比例控制器的配比精度是当前亟需解决的关键问题。
国内学者采用理论分析、数值模拟和实验手段研究了在大流量范围内提高比例控制器配比精度的方法。王鹰等[1-2]在Matlab环境下对罗茨式比例控制器的重要参数进行了理论分析，给出了提高罗茨式比例控制器配比精度的改进方法。郭芳等[3]运用数值模拟方法对滑片式比例控制器的内泄漏情况进行了研究，得到了流体入口的最佳尺寸。孟睿等[4]则采用数值模拟方法对滑片式比例控制器的内部流场进行了研究，分析了配合间隙和压差对配比精度的影响规律，为后续优化设计提供了新思路。王路等[5]对椭圆齿轮式比例控制器内泄漏的影响因素进行了理论分析，提出了利用中值优化法对比例控制器的结构进行优化以提高配比精度。陈其法等[6]对凸轮式比例控制器的型线、压差和泄漏量方程进行了理论推导，也采用比例中值的方法对比例控制器的结构进行优化。李代金等[7]提出了在滑片式比例控制器转子与后侧板间加装带有多个单向阀的平衡板，以提高比例控制器的配比精度。综上所述，目前国内学者主要通过改变比例控制器的结构形式或者优化结构尺寸等方法来提高配比精度。鱼雷实际工作过程中，推进剂的3组组元采用相互独立的压力供给方式，由于压力供给方式不同以及3组组元流经复杂管路系统的压力损失不同，导致3组组元进入三转子式比例控制器的压力存在差异，这会引起比例控制器三路内泄漏量的大幅度波动，进而造成三转子式比例控制器的配比精度下降。然而，目前鲜有关于3组组元入口压力差异对比例控制器性能的影响研究以及相应的改进方法。
鉴于此，为减少3路入口压力差异对比例控制器性能的影响，本文提出在三转子式比例控制器入口加装节流孔板以进一步提高其配比精度的方法，根据三转子式比例控制器的入口尺寸和3组组元的配比比例设计节流孔板的结构和尺寸，试验研究定流量、变流量及入口压力差异3种工况下节流孔板对三转子式比例控制器配比比例的影响规律。
1 三转子式比例控制器工作原理三转子式比例控制器由3套与三转子流量计结构相似的计量部件组成。3组组元分别对各自计量部件进行作用，如图1所示，流体推动排量转子在其腔室内定轴转动，而阻漏转子则以0.5倍转速在其腔室内逆向转动，可见排量转子、阻漏转子和壳体始终形成毛细密封层防止上下游流体交互。流体由左侧流入计量腔，排量转子旋转一周，阻漏转子逆向旋转半周计量一次，转子传动轴上端安装有齿轮组以实现联动。
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图 1 三转子式比例控制器工作原理 Fig. 1 Working principle of the tri-rotors proportional controller |
3套计量部件的结构完全相同且共轴同转速，故比例控制器3路壳体的轴向高度比例决定了推进剂3组元的配比比例。然而，计量部件的配合间隙会产生内泄漏，导致3组元的实际配比比例偏离理论设计值即配比精度下降，而流体粘度、配合间隙尺寸以及比例控制器前后压差则决定了配合间隙的内泄漏量。
2 节流孔板设计与控制原理鱼雷实际工作时，3组组元采用相互独立且不同的压力供给方式，同时3组组元流经复杂管路的压力损失也不相同，导致3组组元进入比例控制器时的压力存在差异，即3组组元在比例控制器前后压差不同，而三转子式比例控制器的泄漏量取决于压差，从而导致三转子式比例控制器的配比精度下降。
为解决此问题，在比例控制器入口处加装节流孔板，以减少3路入口压力差异所带来的不利影响。如图2所示，3组组元的节流孔板根据介质物性、配比比例和控制器接口尺寸进行设计，使得3组组元节流孔板的压力损失相同。
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图 2 限流孔板结构示意图 Fig. 2 Structural diagram of orifice plates |
试验测试台主要由柱塞泵、变频器、电磁流量计、压力变送器、压力表和数据采集系统组成。试验过程中，可通过变频器调节柱塞泵的功率，以控制主管路流量。试验测试台中3条支路分别为燃烧剂路、冷却剂路和氧化剂路。主管路的电磁流量计测量管路的总流量，3条支路的电磁流量计分别测量各支路的流量。各支路球形节流阀可调节各支路的入口压力，上下游压力变送器可实时采集比例控制器前后的压力，压力表实时显示比例控制器各路的入口压力以便于手动调节。背压阀用于调节管路的运行压力且与水箱连接，水箱出口则与柱塞泵入口相连形成封闭循环管路，且数据采集系统实时采集各路流量和压力。
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图 3 试验测试平台示意图 Fig. 3 Schematic diagram of test platform |
背压阀全开，仅调节变频器来控制柱塞泵的功率，以达到试验所需流量，流量工况点为5 L/min，10 L/min，15 L/min，20 L/min，25 L/min和30 L/min，测试定流量工况时三转子式比例控制器加装节流孔板前后的性能。
图4给出了定流量工况下三转子式比例控制器的配比比例。可知，流量逐渐增大，比例控制器冷却剂的比例随之略有减小，而氧化剂的比例随之略有增大。比例控制器加装孔板后，冷却剂的比例随流量增大而减小的趋势减弱，氧化剂的比例随流量增大而增大的趋势也减弱，可知三转子式比例控制器加装孔板后其配比比例更加稳定。
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图 4 定流量工况下比例控制器的配比比例 Fig. 4 Proportioning of tri-rotors proportional controller under constant flow condition |
表1给出了三转子式比例控制器加装孔板前后的配比误差。可知，三转子式比例控制器定流量工况下的配比误差较小，氧化剂和冷却剂的配比误差仅为±1.0%和±0.8%。比例控制器加装孔板后其配比误差略有减小，氧化剂和冷却剂的配比误差降至±0.9%和±0.5%。三转子式比例控制器定流量工况下的配比精度较高，且加装孔板后其性能有进一步提高。
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表 1 定流量工况下比例控制器的配比误差 Tab.1 Proportioning error of tri-rotors proportional controller under constant flow |
背压阀全开，缓慢调节变频器使得柱塞泵的功率平稳上升，即管路流量由5 L/min平稳地增至30 L/min，测试变流量工况时三转子式比例控制器加装节流孔板前后的性能。
图5为变流量工况下三转子比例控制器的配比比例。可知，在大流量范围内三转子式比例控制器氧化剂和冷却剂的配比比例无明显波动。流量逐渐增大，比例控制器氧化剂的配比比例随之略有升高，而冷却剂的配比比例稍有降低。比例控制器加装孔板后其氧化剂的配比比例略有降低，但依然保持较好的稳定性，冷却剂的配比比例有所升高且更接近设计值，同时冷却剂配比比随流量增大而减小的趋势也有所减弱。三转子比例控制器在变流量工况下的配比精度较高，加装孔板后其配比精度进一步提高，而且配比比例更加接近设计值。
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图 5 变流量工况下比例控制器的配比比例 Fig. 5 Proportioning of tri-rotors proportional controller under variable flow condition |
调节柱塞泵的变频器使得管路流量分别稳定在10 L/min和30 L/min，且保持背压阀的开度不变。然后，调节3个支路上的球形节流阀以改变比例控制器3路入口的压力，且使得3路入口之间的压力差异约为0.1 MPa。
表2给出了三转子式比例控制器3路入口压力差异为0.1 MPa时其配比比例。可知：10 L/min流量工况下，燃烧剂路入口压力较低时比例控制器燃烧剂的配比比例偏低，氧化剂和冷却剂的配比误差约为+2.7%和+3.4%；冷却剂路入口压力较低时其配比比例偏低，氧化剂和冷却剂的配比误差约为+2.1%和–3.6%；氧化剂路入口压力较低时氧化剂的配比比例偏低，氧化剂和冷却剂的配比误差约为为–8.0%和+3.2%。30 L/min流量工况下，燃烧剂路入口压力较低时其配比比例偏低，氧化剂和冷却剂比例误差约为+1.3%和+1.1%；冷却剂路入口压力较低时其配比比例偏低，氧化剂和冷却剂比例误差为+1.7%和–2.2%；氧化剂路入口压力较低时其配比比例偏低，氧化剂和冷却剂比例误差为–1.0%和+0.3%。因此，三转子式比例控制器入口压力差异对其配比比例具有显著的不利影响，且不利影响随着流量的增大而减弱。
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表 2 三路入口压力差异下比例控制器的性能 Tab.2 Performance of tri-rotors proportional controller under three inlet pressure differences |
表3给出了三转子式比例控制器加装孔板后3路入口压力差异为0.1 MPa时其配比比例。可以看出：10 L/min流量工况下，燃烧剂路入口压力较低时比例控制器加装孔板后氧化剂和冷却剂的配比误差减小至+1.4%和+1.7%；氧化剂路入口压力较低时，氧化剂和冷却剂的配比误差减小至−4.9%和+1.5%，由此可知小流量工况加装孔板能够3路入口压力差异的不利影响。30 L/min流量工况下，燃烧剂路入口压力较低时，比例控制器加装孔板后其氧化剂和冷却剂配比误差降至+0.8%和+0.5%；冷却剂路入口压力偏低时，氧化剂和冷却剂配比误差降至+0.7%和−0.9%；氧化剂路入口压力较低时，氧化剂配比误差降至−0.8%。由此可知，大流量工况下三转子式比例控制器加装孔板也能有效减弱3路入口压力差异对其配比精度的不利影响。综上所述，本文提出的利用节流孔板削弱3路入口压力差异对三转子式比例控制器的不利影响可行，且节流孔板结构简单、可靠。
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表 3 三路入口压力差异下比例控制器加装孔板后的性能 Tab.3 Performance of proportional controller with orifice under three inlet pressure difference |
本文设计了3款节流孔板分别加装在三转子式比例控制器的3路入口，以减少3路入口压力差异对比例控制器配比比例的负面影响，试验研究了不同工况下节流孔板对三转子式比例控制器配比比例的影响规律，得出以下结论：
1）定流量工况下，三转子式比例控制器配比比例较为稳定，冷却剂和燃烧剂的配比误差约为±1.0%，加装其节流孔板后其配比误差降至±0.9%以内。
2）变流量工况下，三转子式比例控制器的配比比例随着流量的增大而略有单调变化，加装节流孔板后其配比比例随流量变化的趋势减弱，且配比比例更加接近理论设计值。
3）3路入口压力存在差异工况下，三转子式比例控制器的配比比例发生明显波动，配比误差最大达到了8.0%，加装节流孔板有效减弱了3路入口压力差异的不利影响，10 L/min时氧化剂和冷却剂的配比误差由−8.0%和−3.6%分别降至−4.9%和−2.6%，30 L/min时氧化剂和冷却剂的配比误差由−1.0%和−2.2%分别降至−0.8%和−0.9%。
| [1] |
王鹰, 王育才, 潘光. 罗茨式三组元比例控制器的仿真研究[J]. 鱼雷技术, 2011, 19(6): 463-467. |
| [2] |
王鹰, 王育才, 潘光. 罗茨式比例控制器的精度分析[J]. 火力与指挥控制, 2004, 36(12): 164-166. |
| [3] |
郭芳, 党建军, 白杰. 三组元比例控制器内流场的数值模拟[J]. 水动力学研究与进展A辑, 2012, 27(1): 33-38. DOI:10.3969/j.issn1000-4874.2012.01.005 |
| [4] |
孟睿, 伊寅, 韩新波, 等. 鱼雷发动机三组元比例控制器数值模拟[J]. 舰船科学技术, 2021, 43(3): 179-185. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2021.03.035 |
| [5] |
王路, 韩雪梅, 马小录. 椭圆齿轮式燃料比例控制器比例精度研究[J]. 机械, 2018, 45(2): 58-61. DOI:10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.015 |
| [6] |
陈其法, 罗凯, 王育才, 等. 一种三组元燃料配比器的研制[J]. 机床与液压, 2011, 39(2): 71-73. DOI:10.3969/j.issn.1001-3881.2011.02.021 |
| [7] |
李代金, 张宇文, 汤浩, 等. 三组元比例控制器的端面间隙控制及内泄漏分析[J]. 水动力学研究与进展, 2009, 24(1): 113-118. |